Caratterizzazione e abbattimento di inquinanti e analisi del rischio nei processi di lavorazione del legno” Caratterizzazione del particolato e della sua dinamica: formazione, trasporto e abbattimento Prof. A. Soldati, Dott. C. Marchioli, Dott.ssa S. Dearing * *Dipartimento di Energetica e Macchine & Centro Interdipartimentale di Fluidodinamica e Idraulica, Università di Udine Venerdi 30 Gennaio 2009

Particelle/gocce nel settore del legno … La dinamica delle particelle/gocce controlla l’efficienza di molti processi fondamentali per il settore legno: Trasporto/essicazione fibre di legno Utilizzo di impregnanti a base di resine Rivestimenti superficiali

Particelle/gocce nel settore del legno … Dal punto di vista ambientale la presenza di particelle crea un rischio alla salute. Esistono vincoli legislativi per ridurre: Emissioni a camino Presenza di particelle sul posto di lavoro Sistemi di abbattimento polveri

Obiettivi Acquisire/utilizzare conoscenza fondamentale su meccanismi di formazione e accrescimento meccanismi di trasporto meccanismi di deposizione su superfici solide per migliorare l’efficienza dei processi Acquisire dati sperimentali per: Calibrare modelli predittivi Validare i modelli numerici Studiare in modo sistematico problemi applicativi

Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni Attività in progress Attività sperimentale: Getto bi-fase (aria/particelle) - studio dell’interazione tra particelle e fluido Spray – analisi della formazione di spray, identificazione dei parametri utili a controllare l’efficienza del processo Trasporto pneumatico di fibre – studio dell’effetto della dimensione delle fibre sul trasporto (perdite di carico e distribuzione preferenziale di fibre) e sulla deposizione. Attività numerica: Trasporto di fibre in flusso - studio della distribuzione preferenziale e della deposizione Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni

1. Getto bi-fase (aria/particelle) Struttura di fluido La distribuzione/concentrazione di particelle dipende da: Dimensione di particelle Velocità tra particelle e fluido (‘slip velocity’) Geometria dell’ getto (le strutture del fluido) Obiettivo: Caratterizzare il flusso e la concentrazione locale di particelle Identificare le condizioni per cui controllando il flusso si può controllare la concentrazione ‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo) Struttura di fluido ‘Distribuzione di particelle - risultati DNS (particelle solo)*

1. Getto bi-fase (aria/particelle) L’impianto : 4. Altoparltante 2.Ventilatore 1.Generatore di fumo 3. Alimentatore di particelle 1 2 Aria Secondaria 3 4 Aria/Particelle /Fumo Aria/Particelle /Fumo Getto d’aria e particelle Al filtro

1. Getto bi-fase (aria/particelle) Le misurazioni: Collezioni immagini Analisi PIV per fluido Analisi PTV per particelle Immagine dei due fasi ‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo) Particelle traccianti di fluido Particelle dispersa

Risultati attesi Caratterizzazione del getto bifase attraverso misure PIV/PTV:  velocità della fase dispersa (particelle) e del fluido  concentrazione delle particelle Acquisizione di Stereo PIV – 3D per: studio approfondito della dispersione preferenziale delle particelle – in particolare in direzione radiale valutare l’effetto della geometria dell’ugello e delle condizioni di sbocco (flusso confinato/non confinato) sul trasporto/deposizione particelle)

Elevata dispersione di gocce (“over-spray” )  spreco di materiale  possibili problemi di emissione e  deterioramento delle prestazioni. Obiettivi: Distribuzione granulometrica Profilo di concentrazione dello spray Caratteristiche del getto comportamento della fase dispersa. Esempio di Spray generato dall’atomizzazione di liquido

2. Spray: esperimento progettato Studio applicativo per : analizzare meccanismo di formazione dello spray valutare l’efficienza dello spray misurando Concentrazione Distribuzione dimensionale Velocità delle gocce e del fluido portante

2. Spray: possibili metodologie di analisi Sono stati individuati diversi tipi di tecniche per la misurazione granulometrica, tra cui: Laser-Diffraction strumento SPRAYTEC di Malvern Interferometric Particle Imaging IPI Global Sizing Velocimetry di TSI Phase Doppler Anemometry PDA PDA HiDense Spray di Dantec

Laser Diffraction Laser diffraction sfrutta l’interazione tra la luce di laser e la discontinuità di mezzo (le particelle Questa interazione crea l’insieme di fenomeni ottici noto come (SCATTERING) La luce dell’laser sparsa dalle particelle viene raccolto da dei “detector” che misura i cerchi di massima e minima intensità. Particelle devono essere sferiche Questi cerchi, l’insieme noto come un AIRY DISK, ci danno informazioni sulla distribuzione granulometrica in un volume – non a punti individuali di un piano (come per esempio IPI)

Interferometric Particle Imaging (IPI) Tecnica molto simile alla PIV ( stessi componenti ) Le differenze: angolo tra la fotocamera e il “laser-sheet” (non perpendiculare), l’immagine non viene presa in fuoco ma fuori foco

Interferometric Particle Imaging (IPI) Formazione delle frange interferometriche Particelle devono essere sferiche e trasparenti Il numero di frange è proporzionale al diametro della particella

IPI Risultati: Le frange sono state sostituite da cerchi di dimensionie rappresentivia della loro taglia Red = Frame 1 Yellow = Frame 2

2.Spray: caratterizzazione granulometrica Risultati: Measured Diameter Histograms

Quale scegliere? SPRAYTEC IPI Velocità Concentrazione Diametro Flussi densi

3. Trasporto pneumatico di fibre Obiettivi: valutare distribuzione preferenziale di fibre all'interno del flusso valutare effetto della dimensione delle fibre su trasporto (perdite di carico) e la deposizione Figura 1 Figura 2

3.Trasporto pneumatico di fibre: il circuito Impianto di test: circuito bi-fase (Laboratorio di Fluidodinamica Multifase) Work in progress: pulizia dell’impianto (per assicurare condizioni di funzionamento stabile per la durata dei test) sostituzione del separatore esistente e introduzione di un tratto di tubazione trasparente per avere accesso ottico al flusso e realizzare le misurazioni.

3. Trasporto pneumatico di fibre Metodologia e Risultati attesi: La tecnica di misurazione sarà messa a punto sul primo impianto Esperimenti preliminari con fibre in acqua Modifiche di impianto per caratterizzare il trasporto di fibre in flusso d’aria (condizione reale di processo) Confronto con risultati di “Direct Numerical Simulation” (DNS )

3. Trasporto pneumatico di fibre Configurazione studiata: Flusso di aria in canale Fibre di diversa lunghezza, diversa densità relativa e diversa inerzia

3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS) Distribuzione istantanea delle fibre nel flusso: non è omogenea non dipende dalla lunghezza delle fibre (con flusso diluito) Vista Frontale

3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS) Vista laterale Le fibre si accumulano alla parete Al centro del canale distribuzione è “random”

Modello di deposizione Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni L’obiettivo è capire, in base della dimesione, dove si depositano le polveri e in che quantità La dinamica delle polveri in trachea è modellata come un flusso bi-fase perché è governato dalle stesse equazioni di bilancio Modello predittivo – tipo gerarchico Per quantificare la probabilità delle polveri ( in base di dimensione) nei vari tratti delle vie respiratorie. Modello di deposizione 25

Modello delle vie aeree Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni Modello delle vie aeree Deposizione tratto C Diametro polveri 26

Fine Grazie

3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS) Vista laterale Centro canale Alle pareti del canale Le fibre si accumulano alla parete Al centro del canale distribuzione è “random”